Способ получения оксида цинка из цинксодержащих продуктов

 

Использование: получение неорганических пигментов, в частности оксида цинка. Сущность способа: цинксодержащее сырье растворяют в серной кислоте с концентрацией 200 г/дм³ . Раствор сульфата цинка обрабатывают гидроксидом аммония. Образуется основной сульфат цинка с влажностью 150%. Осадок обрабатывают раствором карбоната аммония или бикарбоната аммония с концентрацией 25 - 62 г/дм³ карбонат-иона. Сушат и прокаливают при 750°С. Оксид цинка имеет крупность частиц 0,2 мкм; белизна 97%. Содержание водорастворимых примесей 0,15%. Содержание основного вещества 99,5%. 1 табл.

Изобретение относится к области получения неорганических пигментов и может быть использовано при получении оксида и карбоната цинка из цинксодержащих продуктов.

Важными качественными характеристиками пигментного оксида цинка (цинковые белила) являются: массовая доля ZnO и примесей, растворимых в воде, а также дисперсность, определяющая одну из характеристик, нормируемых по ГОСТу, - укрывистость.

При гидрометаллургическом способе получения оксида цинка. Последние две характеристики определяются как условиями синтеза, так и способом последующей доработки продукта. Так, все меры, принятые при управлении синтезом высокодисперсного продукта, могут быть сведены на нет на последующих стадиях промывки, фильтрования, сушки и прокалки. В частности, длительное пребывание частиц в маточном растворе (синтез, промывка, фильтрование) приводит к росту крупных частиц за счет убыли мелких (переконденсация), а, следовательно, к снижению дисперсности продукта.

Известен способ получения оксида цинка осаждением его гидроксидом аммония, с последующей прокалкой.

Прототипом изобретения выбран способ, согласно которому оксид цинка получают, осаждая гидроксидом аммония из раствора ZnSO₄ основной сульфат цинка. После обработки осадка водой его сушат и прокаливают во вращающейся трубчатой печи при температуре 900^оС, получая оксид цинка.

Недостатки прототипа: недостаточно высокое качество оксида цинка, содержащего, %: ZnO 99; водорастворимые соли 0,5; вещества, нерастворимые в HCl 0,2. Согласно современным требованиям, содержание этих компонентов должно быть соответственно: 99,7; 0,06-0,15 и 0,006-0,015; требование не менее, чем трехкратной отмывки, обусловленное высокой влажностью осажденного основного сульфата цинка, в результате чего соли маточного раствора входят в его состав в значительном количестве (влажность 400-500%), приводит к укрупнению осадка, а, следовательно, снижают его дисперсность.

При обработке основного сульфата, осажденного NH₄OH, водой (двухкратная отмывка) происходит явный рост кристаллов в процессе переконденсации: уменьшается число мелких частиц и возрастает число крупных. После прокалки такого осадка при температуре 900-950^оС образуется полидисперсный продукт с размером частиц 0,8-2 мкм.

высокое содержание SO₄^2- в осадке даже после промывок (до 20%) приводит к увеличению температуры прокалки до 900-950^оС, что ведет к получению неактивного оксида цинка желтого цвета; сложность процесса, заключающаяся в многократности отмывок и фильтраций пульпы после них, что требует дополнительного оборудования и производственных площадей; высокая температура процесса прокалки.

Кроме того, высок расход воды на отмывку.

Целью изобретения является повышение качества оксида цинка и упрощение процесса его получения.

Поставленная цель достигается тем, что выделение осадка проводят гидроксидом аммония с последующей его обработкой раствором карбоната или бикарбоната аммония концентрацией 40-100 г/дм³.

При осуществлении способа происходят следующие реакции: ZnSO₄ + NH₄OH ->> 3Zn(OH)₂˙ZnSO₄ + + (NH₄)₂SO₄ 3Zn(OH)₂ ˙ ZnSO₄ + (NH₄)₂CO₃ ->> ->>3Zn(OH)₂ ZnCO₃ + (NH₄)₂SO₄.

При разрушении абразивных гексагональных кристаллов 3Zn(OH)₂ ˙ ZnSO₄ и протекании обменной реакции практически полностью удаляется сульфат-ион; содержание его в осадке падает с 20 до 3% в основном карбонате цинка.

Высушенный продукт подвергают прокалке при 700-750^оС. При этом удаляются остатки сульфата, и карбонат переходит в мелкодисперсный однородный белый оксид цинка с размером частиц 0,1-0,25 мкм, белизной 95-97% и содержанием ZnO - 99,8%.

Осуществление процесса таким образом приводит к тому, что кристаллы основного сульфата цинка разрушаются при обработке растворами карбонатов, и при последующей прокалке или сушке разрушение завершается образованием мелкодисперсного оксида цинка.

Осажденный гидроксидом аммония основной сульфат цинка обрабатывают раствором карбоната аммония концентрацией 40-100 г/дм³. При концентрации ниже 40 г/дм³ недостаточно полно происходит реакция замещения сульфат-иона на карбонат-ион, вследствие чего в твердой фазе остается больше сульфатов, что потребует увеличения температуры прокалки выше 800^оС, а это приведет к снижению качества получаемого оксида цинка (снижению дисперсности и химической активности, появлению желтизны).

При концентрации карбоната аммония свыше 100 г/см³ в системе начинают превалировать переконденсационные процессы, влекущие за собой рост кристаллов. В результате после прокалки получается оксид цинка с неудовлетворительной дисперсностью, а это снижает его товарное качество. Кроме того, увеличение концентрации карбоната аммония свыше 100 г/дм³, не повышая степени удаления сульфат-иона из осажденного продукта, приводит к тому, что карбонат аммония начинает кристаллизоваться совместно с карбонатом цинка.

Таким образом, совокупность отличительных признаков предлагаемого изобретения - выделение цинксодержащего осадка из раствора гидроксидом аммония, с последующей его обработкой раствором карбоната аммония концентрацией 40-100 г/дм³, позволяет достичь поставленной цели: получить высокодисперсный, однородный, активный оксид цинка высшего качества марки БЦО с высокой степенью белизны (97%), содержащий 99,8% основного вещества, 0,06% водорастворимых примесей и 0,006% примесей, нерастворимых в HCL. Размер частиц оксида цинка, полученного по предлагаемому способу, в 5-15 раз меньше, чем в способе по прототипу;
упростить процесс получения оксида цинка за счет сокращения числа операций по обработке основного сульфата цинка (отмывка) в 2 раза, за счет этого сокращается количество используемого оборудования и соответственно производственные площади, занимаемые им и энергетические затраты на их работу;
кроме того, сократить объем воды, используемой в технологическом цикле.

Примеры осуществления способа
П р и м е р 1. 500 г шлаковозгонов свинцового производства состава, %: Zn 55,9; Pb 15,1; Fe 1,47; As 0,8; Sn 0,22; SiO₂ 0,54 и др., растворяли в растворе серной кислоты концентрацией 200 г/дм³ при Ж:Т = 4:1, температуре 85^оС, в течение 2 ч, до рН 5,2.

Из полученного раствора ZnSO₄ (1,9 дм³), содержащего 110 г/дм³ цинка, осаждали гидроксидом аммония (концентрацией 25%) основной сульфат цинка 3Zn(OH)₂ ˙ ZnSO₄. Расход гидроксида аммония составил 0,63 дм³. Масса полученного влажного осадка 965 г; масса сухого осадка 439 г. Влажность 150%. Содержание SO₄^2- в нем 31%.

965 г влажного основного сульфата цинка обрабатывали раствором карбоната аммония концентрацией 40 г/дм³ в реакторе с перемешивающим устройством при 40^оС и продолжительности процесса 30 мин. Объем обрабатывающего раствора 2,9 дм³. После завершения обработки твердую фазу отделяли от водной фильтрованием. Влажный осадок имел массу 824 г. Влажность его 155%. Содержание сухого карбоната цинка в нем 628 г. Содержание SO₄^2- 3,0%. Осадок сушили и прокаливали при 750^оС. В результате чего получали 248 г ZnO.

Полученный оксид цинка имел крупность частиц 0,2 мкм; белизна 97%; содержание водорастворимых примесей 0,15. Содержание основного вещества 99,5% .

П р и м е р 2. Влажный осадок основного сульфата цинка (965 г с влажностью 155% ), полученный аналогично описанному в примере 1 способу, обрабатывали раствором карбоната аммония концентрацией 60 г/дм³ в реакторе с перемешивающим устройством, при температуре 40^оС и продолжительности процесса 30 мин. Объем обрабатывающего раствора 4,5 дм³. После завершения обработки твердую фазу отделяли от водной фильтрованием. Влажный осадок имел массу 780 г. Влажность его 150%. Сухого карбоната цинка в нем было 628 г. Содержание SO₄^2- 2,9%. Осадок сушили при 105^оС и прокаливали при 700^оС. В результате чего получено 240 г ZnO.

Полученный оксид цинка имет клупность частиц 0,15 мкм; белизна 97%; содержание водорастворимых примесей 0,1% . Содержание основного вещества 99,7%.

П р и м е р 3. Влажный осадок основного сульфата цинка (965 г с влажностью 155% ), полученный аналогично описанному в примере 1 способу, обрабатывали раствором карбоната аммония концентрацией 100 г/дм³ в реакторе с перемешивающим устройством при температуре 40^оС и продолжительности процесса 30 мин. Объем обрабатывающего раствора 3,7 дм³. После завершения обработки твердую фазу отделяли от водной фильтрованием. Влажный осадок имел массу 740 г. Влажность его 145%. Сухого карбоната цинка в нем было 628 г. Содержание SO₄^2- 2,9%. Осадок сушили при температуре 105^оС и прокаливали при температуре 750^оС. В результате чего получали 245 г ZnO.

Полученный оксид цинка имел крупность частиц 0,15 мкм; белизна 97%; содержание водорастворимых примесей 0,06% . Содержание основного вещества 99,8%.

П р и м е р (по прототипу). 500 г шлаковозгонов свинцового производства состава, %: Zn 55,9; Pb 15,1; Fe 1,47; As 0,8; Sn 0,22; SiO₂ 0,54, растворяли в растворе серной кислоты до достижения рН 5. Из полученного раствора ZnSO₄ (V 1,9 дм³), содержащего 110 г/дм³ цинка, концентрированным раствором аммиака осаждали основной сульфат цинка. Расход гидроксида аммония составил 0,65 дм³. Масса полученного влажного осадка 965 г. Масса сухого осадка 440 г. Влажность 150%. Содержание SO₄^2- в нем 30%.

965 г влажного основного сульфата цинка обрабатывали водой при Ж:Т = 7: 1, температуре 30^оС, продолжительности 30 мин, двухкратно, после каждой стадии отфильтровывая осадок.

Получили 1,7 кг влажного основного сульфата (влажность 300%). Содержание SO₄^2- в нем 20%. Осадок просушили и прокалили при температуре 900^оС. Получили 255 г ZnO, котыорый имел крупность частиц 2,0 мкм, белизну 84%, содержание водорастворимых примесей 0,7%, содержание основного вещества 98,4% .

Сравнительная характеристика качества оксида цинка, полученного по предлагаемому и известному способам, представлена в таблице.

Таким образом, при использовании предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, улучшается качество получаемого оксида цинка и сокращается количество операций, т.е. отсутствует двухстадийная отмывка и фильтрация.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА ЦИНКА ИЗ ЦИНКСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ, включающий растворение исходного материала в серной кислоте, выделение цинксодержащего осадка из полученного раствора гидроксидом аммония, его обработку, сушку и прокалку, отличающийся тем, что обработку осадка осуществляют раствором карбоната аммония или бикарбоната аммония с концентрацией карбонат-иона 25 - 62 г/дм³.

РИСУНКИ

Рисунок 1